[판교테크노밸리]원자크기 수준의 금속 틈 세계 최초 제작-양자 수준 금속 틈에 빛을 모으는데 성공, 전자소자분야 혁신 기반 마련

원자크기 수준의 금속 틈 세계 최초 제작-양자 수준 금속 틈에 빛을 모으는데 성공, 전자소자분야 혁신 기반 마련

 

작성일 : 2015. 10. 14. 기초연구진흥과

 

원자 크기 수준의 금속 틈 세계 최초 제작

양자 수준 금속 틈에 빛을 모으는데 성공, 전자소자분야 혁신 기반 마련

   

◇ 0.1나노미터 수준에서 새로운 물리 현상을 관찰하여 전자소자 분야 등에 혁신 가능

◇ 김대식 교수 연구팀, 물리학 분야 국제 학술지 ‘피지컬리뷰레터스’에 표지논문 게재

 

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 세계 최초로 원자 크기인 0.1 나노미터 너비와 밀리미터 수준의 길이를 가진 금속 틈*을 제작하고, 여기에 밀리미터 크기의 파장을 가진 빛을 모으는데 성공함으로써 전자기파에 의해 유도된 전자 터널링 현상**을 관찰하는데 성공했다고 밝혔다.

* 금속 틈 : 틈새를 통해서만 빛이 투과하므로 파장보다 작은 구멍으로 인해 빛이 투과, 회절, 집속 하는 등의 현상을 관측하기에 유용한 구조로 0.1 나노미터는 1 옹스트롬임

** 전자 터널링 : 전자가 자신이 가진 에너지 보다 높은 벽을 통과할 수 있는 양자 역학적 현상

□ 서울대 김대식 교수와 아주대 이상민 교수 등이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부가 지원하는 기초연구사업(리더연구자지원)을 통해 수행되었으며, 연구결과는 물리학 분야의 세계적인 학술지 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)지 9월 16일자 온라인판에 표지논문으로 게재되었다.

 

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

- 논문명 : Electromagnetic saturation of angstrom-sized quantum barriers at terahertz frequencies

- 저자 정보 : 김대식 교수(공동교신저자, 서울대), 이상민 교수(공동교신저자, 아주대), 박영미 박사(공동제1저자, 서울대), 강봉주 박사과정생(공동제1저자, 아주대)

 

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 

1. 연구의 필요성

○ 빛을 나노미터 크기로 한 곳에 집속하여 극소량의 생물 및 화학 분자를 정밀하게 검출하거나 집속된 강한 전기장을 물질에 가함으로써, 새로운 물리현상을 발견하는 연구 분야인 ‘나노광학’은 자외선부터 마이크로웨이브까지 다양한 주파수 영역에서 이루어진다.

○ 나노광학 다음 단계인 ‘옹스트롬* 광학’은 1 나노미터 보다 10배 작은 수준에서 연구될 뿐만 아니라 전자 터널링**과 같은 새로운 양자역학***적 효과를 관찰할 수 있는데 의미가 있다.

＊ 옹스트롬(angstrom) : 빛의 파장이나 원자의 배열을 잴 때 쓰는 길이의 단위, 1옹스트롬은 0.1 나노미터임

** 전자 터널링 : 전자가 자신이 가진 에너지 보다 높은 에너지 장벽을 확률적으로 통과할 수 있는 양자 역학적 현상

*** 양자역학(quantum mechanics) : 원자, 분자, 소립자 등의 미시적 대상에 적용되는 역학으로, 거시적 현상에 보편적으로 적용되는 고전역학이 설명할 수 없는 현상에 대한 물리학의 이론 체계임

○ 이를 테라헤르츠파*와 같이 긴 파장대(밀리미터)를 포함한 넓은 전자기파 영역에서 탐구하기 위해서는, 입사하는 전자기파의 빔 크기보다 넓은 면적의 금속 필름에 옹스트롬 크기의 틈이 배열된 구조 제작이 요구되어 왔다.

* 테라헤르츠파 : 마이크로파와 원적외선 사이 100GHz~10THz(파장 3mm~30mm) 대역의 전자파로, 파장이 길어서 집속이 잘되고 이를 통해 에너지 장벽을 낮춰 새로운 현상을 쉽게 관찰할 수 있음

 

2. 발견 원리

○ 연구팀은 지금까지 파장이 밀리미터인 테라헤르츠파 빔 크기에 맞게 1 나노미터 틈 배열구조를 만들어 테라헤르츠파가 틈 내부에 강하게 집속됨을 관측한 바 있으며,

○ 이번 연구에서는 평행하게 배열된 두 금속 필름 사이에 원자 크기인 0.1 나노미터 틈을 만들기 위해 이차원 물질인 그래핀*을 수직으로 세워 금속 틈 사이에 끼워 넣은 구조를 제작하였다.

* 그래핀(graphene) : 탄소 원자 한 겹으로 이루어진 이차원 물질

○ 이 구조를 통해 그래핀과 금속 사이에 존재하는 0.1 나노미터의 틈은 빛을 집속할 수 있는 이론적으로 가장 작은 공간이다. 이 틈을 수 밀리미터로 길게 만들어서 테라헤르츠파를 강하게 집속하는데 성공하였다.

..

3. 연구 성과

○ 연구팀은 옹스트롬 크기의 틈 내부에 테라헤르츠파를 강하게 집속함으로써 틈 사이에 전기장이 최대 17V/nm까지 걸리는 것을 관측하였고, 입사하는 테라헤르츠파의 세기가 증가할수록 전기장 집속도가 현저하게 줄어들면서 강한 광학적 비선형성이 나타나는 새로운 양자역학적 현상을 관측하였다.

○ 이러한 비선형 현상은 옹스트롬 크기의 금속 틈 사이로 빛이 집속될 때 두 금속 사이에 형성된 에너지 장벽의 한 쪽 방향으로 전자의 터널링이 우세하게 일어나면서 나타남을 규명, 옹스트롬 구조에서 양자역학적 현상을 다루는 연구 분야에서 선도적인 역할을 하게 되었으며 이를 통해 전자소자 분야 등 첨단분야 혁신의 가능성을 제시하였다.

 

 

 

□ 김대식 교수는 “테라헤르츠파를 파장보다 작은 구멍에 집속시키는 지난 10년 간의 노력을 통해서 틈의 크기를 밀리미터 수준에서 나노미터 수준까지 줄여왔고, 이번 연구를 통해서 원자 크기인 0.1 나노미터까지 도달하는데 성공함으로써 빛을 파장보다 천만 배 작은 틈에 집속시킨 것에서 세계 기록을 세웠다”라며,

 

o “이를 바탕으로 원자 단위에서 강하게 일어나는 전자의 터널링 현상을 빛을 통해 측정하는 등 양자 크기 수준에서 빛과 물질의 상호작용을 관찰할 수 있도록 한 것은 원자 크기 수준에서 이루어지는 옹스트롬 광학의 발판을 마련한 것이다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.

 

<참고자료> : 1. 연구결과 개요

2. 연구이야기

3. 용어설명

4. 그림설명

5. 연구자 이력사항

 

연 구 결 과 개 요

 

 

1. 연구배경

ㅇ 나노 광학은 빛을 파장보다 작은 나노미터 크기로 집속할 때 나타나는 빛의 특이현상과 비선형성에 대해 다루는 학문으로 바이오, 의료, 센서, 반도체, 통신 등의 다양한 분야에서 응용된다. 최근 나노 광학의 다음 단계인 옹스트롬 스케일에서의 빛에 대한 연구가 시도되면서 나노 광학 연구에서는 볼 수 없었던 양자역학적 효과가 관측되고 있다. 이러한 전자기파의 옹스트롬 단위에서 일어나는 양자역학적 효과를 이해함으로써 원자 크기 단위로의 빛의 집속 및 조절이 가능해진다.

2. 연구내용

ㅇ 본 연구에서는 그래핀을 두 금속 필름 사이에 끼워 그래핀의 탄소 원자와 금속 원자 사이 형성되는 옹스트롬 크기의 반데르발스 틈(그림1)을 수 밀리미터로 길게 만들고 틈 이외의 부분은 금속으로 채워 밀리미터 파장의 테라헤르츠 파를 집속시키는데 성공하였다. 시료를 제작하는 순서는 다음과 같다. 우선 쿼츠 기판 위에 포토 리소그래피 방법을 통해 사각형 금속(구리) 패턴(수 밀리미터*수 백 마이크로미터)을 식각한다. 그 위에 화학기상증착법을 사용하여 탄소 원자 한층인 그래핀을 패턴된 구리 필름의 옆면을 포함한 표면을 따라 성장시킨다. 그 다음 다시 금속층(구리)을 증착한다. 그러면 두 번째 증착한 금속층은 사각형 구조 내부와 외부가 단절된 채로 증착되게 된다. 이때 단면 접착 테이프를 시료 전체에 고르게 붙이고 조심스럽게 떼어내면 돌출된 금속층만을 시료 표면에서 분리할 수 있다. 결과적으로 그래핀이 수직으로 두 금속 사이에 끼워진 구조가 주기적으로 배열된 시료가 된다. 이는 금속-그래핀-금속을 단순히 적층한 구조와는 다르게 입사하는 전자기파의 빔 사이즈가 수 밀리미터인 긴 파장의 전자기파까지 집속할 수 있다는 장점을 가진다.

연구진은 제작된 옹스트롬 틈 배열에 틈의 크기보다 천만 배 큰 파장을 가진 테라헤르츠파를 조사하여 옹스트롬 틈에서의 테라헤르츠파 집속 현상을 관측하였다. 테라헤르츠파를 옹스트롬 틈에 조사하면 틈 양쪽의 금속 표면에서 표면 전류가 유도되고 이로 인해 전하가 틈 양쪽으로 모이는데 이 때 마치 깔대기로 물이 빨려들어 가는 것처럼 테라헤르츠파가 파장보다 훨씬 작은 틈에 집속되면서 투과한다. 이번 연구는 옹스트롬 틈에서의 테라헤르츠파 초집속 현상을 세계 최초로 관측한 결과이며 그 집속율의 정도를 통해 옹스트롬 틈의 광학적 특성을 제시한다.

입사하는 테라헤르츠파의 전기장이 약 200 kV/cm 로 매우 셀 때 앞서 설명한 테라헤르츠파 초집속의 도움을 받으면 최대 5 V의 전압이 옹스트롬 틈에 걸리게 된다. 이는 두 금속 사이 형성된 포텐셜 장벽의 한 쪽 방향으로 전자의 터널링이 우세하게 일어나도록 포텐셜 장벽을 변형시킨다. 집속된 전기장에 의한 전자의 터널링 현상은 다시 전기장 집속율을 감소시키는데 영향을 끼쳐 투과율을 감소시킨다. 따라서 입사하는 테라헤르츠파의 세기가 증가할수록 전자의 터널링 현상이 우세해지면서 투과율이 줄어드는 강한 광학적 비선형 현상이 관측되었다.

3. 기대효과

ㅇ 전자기파에 의한 옹스트롬 구조에서의 양자역학적 현상을 다루는 양자 플라즈모닉스 분야는 최근에 세계적으로 활발히 연구되고 있지만 적외선 영역에 국한되어 있었다. 본 연구진은 테라헤르츠파의 초집속으로 인한 옹스트롬 틈에서의 전자 터널링 현상을 관측하고 이론적으로 이를 규명함으로써 양자 플라즈모닉스 분야를 테라헤르츠파까지 넓히는데 기여하고 해당 연구 분야에서 선도적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 연구진이 제안한 옹스트롬 구조 플랫폼은 전자 터널링과 같은 양자역학적 효과를 극대화하는 구조로 원자 단위에서 일어나는 광학적 현상을 다루는 옹스트롬 광학의 기반을 마련하고 양자 효과가 매우 중요하게 고려되는 바이오화학, 분자 전자소가, 광학 통신 등과 같은 다양한 분야에 응용 될 것으로 기대된다.

 

 

★ 연구 이야기 ★

 

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

빛을 파장보다 훨씬 더 작은 영역에 집속시키는 연구에 관심을 갖고 지난 10년 간 밀리미터 파인 테라헤르츠 파를 파장보다 작은 금속 틈에 집속시키는데 노력해 왔다. 틈의 크기를 밀리미터 수준부터 시작해서 최근에는 수 나노미터까지 줄이는데 성공하여 다양한 학술지에 보고해 왔는데 이에 그치지 않고 나노미터보다 더 작은 옹스트롬 크기의 틈에 테라헤르츠 파를 강하게 집속시키기 위한 연구를 시작하였다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

본 연구의 공동교신저자인 서울대 김대식교수는 테라헤르츠 파를 파장보다 작은 금속 틈에 집속시켜 전기장 세기를 강하게 증폭시키는 연구를 해왔고 아주대 이상민교수는 강한 세기의 테라헤르츠 파를 발생시키고 측정하는 실험 셋업을 구축해왔다. 김대식교수 연구팀에서 제안된 테라헤르츠 파 집속을 위한 옹스트롬 틈 플랫 폼은 세종대 김용승박사와의 공동연구를 통해 제작되었고, 아주대 이상민교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 제작된 옹스트롬 틈에 강한 테라헤르츠 파를 입사시켰을 때 강한 비선형 현상이 일어남을 관측하였다. 이를 바탕으로 서울대 박철환교수와의 공동 연구를 통해 관측된 강한 비선형 현상이 금속 틈에서 일어나는 전자 터널링에서 기인함을 밝혔다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

테라헤르츠 파를 파장보다 천만배 작은 옹스트롬 크기 틈에 효율적으로 집속시키기 위해서는 틈을 수 밀리미터로 길게 만들어야 하는 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 우선 옹스트롬 크기의 틈을 구현하기 위해 탄소 원자 한층으로 이루어진 그래핀을 두 금속 필름 사이에 끼워 넣는 구조를 생각하고 연구를 진행하였다. 그래핀을 수직으로 세워 금속 필름 사이에 위치시키기 위해 처음에는 그래핀 전사 방법으로 시도하다가 수백나노 두께의 구리 필름에 그래핀 성장이 가능한 그룹을 알게 되어 공동 연구를 통해 밀리미터 길이의 옹스트롬 틈 구조를 제작할 수 있었다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

두 금속 필름 사이의 간격이 옹스트롬 크기로 줄어들면 이전에 나노미터 수준에서는 미미하게 나타났던 전자 터널링과 같은 양자역학적 현상이 두드러지게 나타난다. 이러한 양자역학적 현상을 가시광선 영역대의 빛으로 측정하고 조작하는 연구가 최근 세계적으로 활발하게 이루어지고 있는데 본 연구에서는 세계 최초로 밀리미터 파인 테라헤르츠 파를 이용함으로써 양자역학적 현상을 극대화시켜 완벽하게 조작 가능함을 보였다. 또한 강한 광학적 비선형성을 통해 양자 장벽 높이와 같은 양자역학적 정보를 유추할 수 있음을 제안하였다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 

옹스트롬 크기로의 빛의 초집속 연구를 바탕으로 양자 스케일 영역에서의 다양한 광학 현상을 연구함으로써 새로운 물리현상을 발견하고 싶다.

 

 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 

옹스트롬 틈 구조에서 관측된 강한 광학적 비선형 현상의 원인을 규명하는 과정에서 양자 플라즈모닉스를 이론적으로 활발히 연구하는 해외 그룹들과의 공동 연구를 고민하였지만 학문적 독립과 국제적 연구흐름의 주도권 확보를 위해 국내 연구진만의 공동 연구로 마무리하는 것을 목표로 삼고 진행하였다. 국내 우수 연구진과의 공동 연구를 통해 마침내 좋은 결과를 얻게 되고 그 성과의 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정되어 의미 있는 연구 과정이었다고 본다.

 

 

용 어 설 명

 

 

1. 금속 틈

○ 빛을 차폐하는 금속과 같은 물질 사이에 빛을 투과하는 물질(공기, 유전체 등)을 위치시켜 만든 틈새.

○ 오직 틈새를 통해서만 빛이 투과하므로 파장보다 작은 구멍에 의한 빛의 투과, 회절, 집속 등의 현상을 관측하기에 유용한 구조.

 

2. 테라헤르츠 파

○ 테라파, T-ray라고도 불리며 진동수가 1012헤르츠 영역, 파장이 밀리미터 영역에 위치한 전자기파.

○ 투과성이 좋지만 에너지가 낮아 비파괴 검사에 유용해 폭발물 및 마약과 같은 위험물 탐색에 이용될 것으로 전망.

 

3. 전자 터널링

○ 전자가 자신이 가진 에너지 보다 높은 포텐셜 장벽을 확률적으로 통과할 수 있는 양자 역학적 현상.

 

4. 반데르발스 틈(van der Waals gap)

○ 원자, 분자 혹은 표면 간 근처 입자에 의한 편극에 의해 발생하는 인력인 반데르발스 힘이 작용할 때 두 입자 및 표면 사이 전자밀도가 작은 영역.

○ 최근 이차원 층상구조를 갖는 물질의 층 사이인 반데르발스 틈에 화합물을 삽입하여 기존 물질에서는 관찰되지 않는 새로운 물리적 화학적 현상들을 발견하는 연구에 이용된다.

5. 그래핀(graphene)

○ 탄소 원자 한 겹으로 이루어진 이차원 물질

 

6. 화학기상증착법(chemical vapor deeposition)

○ 반도체 제조 공정 중 하나로 화학 물질을 플라즈마 또는 열을 이용하여 박막을 형성하는 방법.

 

그 림 설 명

 

그림 1. 옹스트롬 크기의 금속 틈에서의 빛의 초집속. 구리-그래핀-구리 구조에서 형성된 두 개의 반데르발스 틈이 옹스트롬 크기의 금속 틈을 형성하고 그 틈에 밀리미터 파장의 테라헤르츠파가 강하게 집속되는 이미지.

 

그림 2. 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)의 ‘표지 논문(cover article)’로 선정된 그림.

 

그림 3. 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)의 ‘편집자 추천(Editor’s suggestion)’로 소개된 그림. 구리-그래핀-구리 구조에서 형성된 두 개의 반데르발스 틈이 옹스트롬 크기의 금속 틈을 형성하고 그 틈에 밀리미터 파장의 테라헤르츠파가 강하게 집속되어 틈 사이로 전자의 터널링이 일어나는 이미지.

 

김대식 교수[공동교신저자] 이력사항

 

 

1. 인적사항

○ 소 속 : 서울대학교

○ 전 화 : 02-880-8174

○ e-mail : dsk@phya.snu.ac.kr

 

2. 학력

1985년 서울대학교 이학사 (물리학)

1986년 U.C. Berkeley 이학석사 (생물물리학)

1990년 U.C. Berkeley 이학박사 (물리학)

 

3.경력사항

1991 ~ 1993 : AT&T Bell Labs 연구원

1993 ~ 1994 : Oklahoma State University Senior Scientist

1994 ~ 1998 : 서울대학교 물리학부 조교수

1998 ~ 2002 : 서울대학교 물리학부 부교수

2002 ~ 현재 : 서울대학교 물리학부 교수

2008 ~ 2015 : 파장한계광학연구센터 단장

 

4. 전문 분야 정보

○ 나노광학

 

5.연구지원정보

○ 2005년 ~ 2015년 : 미래창조과학부 중견연구자지원사업(도약)

○ 2015년 ~ 2024년 : 미래창조과학부 리더연구자지원사업(창의)

 

 

이상민 교수[공동교신저자] 이력사항

 

 

2. 인적사항

○ 소 속 : 아주대학교

○ 전 화 : 031-219-2576

○ e-mail : rotermun@ajou.ac.kr

 

2. 학력

1993년 University of Regensburg 이학사 (물리학)

1997년 University of Regensburg 이학석사 (물리학)

2000년 Technical University of Berlin 이학박사 (물리학)

 

3.경력사항

1997 ~ 2000 : Max-Born-Institute for Nonlinear Optics and Ultrafast Spectroscopy Research staff

2000 ~ 2002 : Max-Born-Institute for Nonlinear Optics and Ultrafast Spectroscopy Research scientist

2002 ~ 2006 : 아주대학교 조교수

2006 ~ 2011 : 아주대학교 부교수

2011 ~ 현재 : 아주대학교 교수

2013 ~ 현재 : Chiba University (Japan) Visiting Professor

 

4. 전문 분야 정보

○ 초고속 레이저 및 비선형 광학

 

5.연구지원정보

○ 2011년 ~ 2016년 : 미래창조과학부 중견연구자지원사업(도약)

 

박영미 박사[공동제1저자] 이력사항

 

 

1.인적사항

○ 소 속 : 서울대학교

○ 전 화 : 02-889-1295

○ e-mail : ym850325@snu.ac.kr

 

2.학력

2008년 서울대학교 교육학사 (물리교육학)

2015년 서울대학교 이학박사 (물리학)

 

 

3.경력사항

○ 2015~현재 : 서울대학교 물리학과 박사후 연구원

 

4. 전문분야정보

○ Terahertz plasmonics, Nano photonics

 

 

강봉주[공동제1저자] 이력사항

 

 

1.인적사항

○ 소 속 : 아주대학교

○ 전 화 : 031-219-2591

○ e-mail : pxhwk@ajou.ac.kr

 

2.학력

2011년 아주대학교 이학사 (물리학)

2013년 아주대학교 이학석사 (물리학)

현재 아주대학교 이학박사과정 (물리학)

 

 

3.전문분야정보

○ Terahertz Photonics, Material Engineering and Processing